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抽水蓄能电站发电机静态启动变频直接谐振控制方法

2024-11-26 59 上传者：管理员

摘要：电机静态启动时，低次谐波向高次谐波的转换的正负分量对立且不同步，容易造成运行参数判定失误，机体运行不稳，谐振问题严重等后果。由此，提出一种直接谐振控制方法。抽水蓄能电站发电机启动时，低次谐波向高次谐波转换，据此建立静态启动模型，分析每次启动时电机基础波、负序谐波以及负序谐波的变化，确定内部转子和定子运作频次，即谐振的运作频次，根据相对运动关系，获取实时的谐振变化参数，求解与其存在正相关的电流和电压变化值，采用解耦控制器对电流电压实行上调和下调，完成自动控制。实验证明，在感性、容性以及阻性负载下，控制精准度高。恒定输出各项正负分，优化运行参数，保证抽水蓄能电站发电机运行稳定。

关键词：
直接谐振控制
解耦控制器
负序谐波
阻性负载
静态启动
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抽水蓄能电站发电机是目前水利相关产业应用最广的电力设备，但随着电力使用量的增长、设备负荷越来越大，过度超负荷工作导致发电机出现震动过大现象，在静态启动时尤为明显。这种现象不仅会导致发电机运行不稳，长时间还会造成机器内部零件损坏，增加使用危险，降低效率。

基于此，对抽水蓄能电站发电机进行变频直接谐振控制是非常有必要的，通过谐振控制稳定发电机从静态启动至动态时产生的振频，借此实现稳定。目前，国外研究学者将重点落在平衡发电机变频谐振参数，根据实时变频转换来保证运行的稳定；而国内的研究策略则是通过实时的检测计算，查找在启动时应产生谐振的转子和因子数值，设计自动控制器根据标准值完成有效控制，如杨明等[1]分析了谐波谐振产生机理以及稳定裕度，推导了最小谐振频率偏移条件以及最小谐振频率偏移，抑制滤波器谐振频率偏移对系统中低频段动态性能的影响。李智等[2]通过改变滤波电容复阻抗的方法，分析发电机谐波谐振风险和特性，增加LCL型储能虚拟同步发电机并网系统的幅值裕度和相角裕度，抑制LCL型储能虚拟同步发电机的谐波谐振。

综合以往研究成果，为使控制算法能够贴合实际情况，提高实用价值，本文采用一种人工智能的自动化直接谐振控制方法。通过自动检测获取发电机启动时转子和因子的不平衡参数，获取二者静态和动态之间的差值；将结果自动反馈给感应控制器，控制器会根据参数并参考实时电压自动给出最为合理的控制数值，使其满足发电机静态转动态的动力值，不会出现无法启动的现象，不仅可以抑制不平衡的动态因子数值，还可以保证在最低负载工况下运行，提高效率与稳定性。

1、发电机静态启动变频模型

一般情况下，抽水蓄能电站发电机主要以变频启动方式为主，属于一种背对背模式，这种模式普遍具有静态转动态谐振增大的问题，导致发电机不稳定。本文通过安装自动直接谐振控制器，根据控制器传输的反馈信号，经过计算给出控制参数使得电机内部的各个环节实现同步启动。当检测到电机启动时，通过反馈信息自动判定最佳控制参数，在此期间，发电机从静态加速至额定速度，并网运行所需的时间不超过6分钟，直至运行稳定时自动封闭母线，实现最佳的自动谐振控制。

当抽水蓄能电站发电机启动出现谐振现象时，此时，电网中存在低次谐波向高次谐波的转换，正负分量存在对立影响，二者之间不同步，导致谐振现象严重。发电机静态启动时产生的电流转子，在低次谐波电压环境下可表示为：

式中，、、分别代表发电机启动时的基础波、5次负序谐波、7次负序谐波；Lm、Lr、Ls分别表示自感转子、因感转子以及启动基础转子；、分别表示自感电压、因感电压；表示启动谐振；ωs表示电磁转矩；j表示转矩次数；σ表示谐波成分。

其中ωs可表示为：

式中，jp表示第p次启动时转矩次数；表示发电机的极对数[3]；表示高次谐波。通过上述过程对发电机启动时产生的低次谐波变化，推导得到在同等情况下，发电机启动产生高次谐波，表示为：

式中，、、分别表示发电机的1次正序谐波、6次正序谐波、12次正序谐波。其中三种高次谐波大的具体表达公式如下：

公式中，发电机启动时会陆续产生5次负序和7次正序的高低次谐波，此时，发电机的转子和定子都会受到谐波影响，导致运行参数判定失误，给出不合理的工作参数，使得谐波现象越来越严重。所以，后续的控制算法需要贴合电机启动时的质量标准，保证自身的稳定和安全运行。

2、发电机静态启动变频转子、定子位置检测方法

通过上述分析表明，抽水蓄能电站发电机静态启动稳定性的重点是，启动后内部转子和定子能否以最平衡的关系运作，这点对谐振的大小也起到决定性作用。本文根据该特点，采用互感分析法对进行转子和定子位置检测，计算得出二者的最佳稳定点。

当发电机组启动，受到内部零件之间的传导影响，产生启动谐振时，定子和转子也会随之增大发生连贯的大频率振幅；当发电机处于静止状态时，可以根据定子和转子之间相对运动判定转子的位置，通过位置查找采集转子和定子产生谐振的周期性变化，计算求得二者的稳定点和最大谐振点参数[4]。将以下参数作为后续自动控制的输入值，保证控制的精准性和效率。

发电机转子和定子互感比例计算公式为[5]:

式中，ζ表示转子所在主轴线与电路母线a之间的相交夹角（）；Msfd0表示定子与转子绕组[6]间的对应互感系数；Mafd、Mb fd、Mc fd分别表示电路母线a、b、c所对应的互感比例系数。

当发电机启动施加电流时，发电机内部定子三相绕组而产生的谐振磁链为：

式中，ζ表示励磁电流；Uf、If分别表示转子的电阻和电感值；表示绕组定点。

当发电机组处于空载状态时，此时，机端电压与电感之间产生的转子定子相互影响联合关系式为：

根据式（10）可推导出，当发电机启动时，转子运动而导致的定子参数变化，根据该变化值与标准值进行比对，通过差值判定出二者引起的谐振幅度，可为下一步自动控制提供参照标准，最大程度上降低控制误差，提高精准度。

3、自动控制方法

考虑到抽水蓄能电站发电机存在有功功率和无功功率两种调节环境，本文将人工智能技术应用到发电机的直接谐振控制中，通过自动控制器和感应器实现谐振捕捉和参数调节的连贯控制。采用PI控制器（Proportional Integral Controller）采集发电机启动时转子和定子的谐振变化，随后将得到的反馈信息输入至直接谐振控制感应器，完成自动控制。当检测到发电机产生的信号超过该标准值时，采用自动的控制措施，保证运行的稳定性。

给出直接谐振控制器的负载参考电压值计算公式为：

式中，kr表示负载电路数量；C*rd、Crd分别表示直接谐振控制器在发电机中d轴的目标控制信号和反馈输出信号；C*rq、Crq分别表示直接谐振控制器在发电机中q轴的目标控制信号和反馈输出信号；wc、wg分别表示电路c、g的电阻量；s2表示直接谐振方差；、分别表示对发电机中d、q轴的电压控制值。

设目标信号值为0，即Crd=Crq=0，此时，在电压不平衡的条件下，预先确定在d、q轴中是否存在符合目标信号的点，通过控制器输出该点的反馈信号，计算反馈信号与目标信号之间的差值，该差值即为需要进行控制的最佳值，得到直接谐振控制器的输出信号为：

变频谐振控制器输出信号为：

电压解耦控制器为[7]:

式中，kp、ks表示第p、s条负载电路的数量；C*rdq、Crdq分别表示直接谐振控制器在发电机中d、q轴的目标控制信号和反馈输出信号；、分别表示d、q轴的可控分量[8];Fr、Fm、Fs均表示发电机的定序二倍频分量；表示d、q轴的电流值；表示电磁转矩。因此，通过上述分析得到电流调节器的输出电压为[9-10]:

从公式中可以看出，将直接控制器的可控目标大致分为三类：保证发电机有功功率和无功功率分量的恒定输出、保证发电机无脉动分量和电磁转矩的恒定输出、保证发电机无负序分量的恒定输出。

三种可控目标函数的输出值为：

(1）控制发电机有功功率和无功功率的恒定输出：

(2）控制发电机无脉动分量和电磁转矩的恒定输出[11-12]:

(3）控制发电机无负序分量的恒定输出：

式中，表示恒定有功功率分量；表示恒定无功功率分量；-Ps2表示无功脉动分量；-Qs2表示电磁转矩；-Ts2表示无序分量。

4、实验

4.1 实验背景

为验证文中提出的抽水蓄能电站发电机静态启动变频直接谐振控制方法有效性，搭建了如图1所示的实验平台。

图1中，包含VG-15X-ATE型号测功机，用于检测发电机内部的实时谐振信号变化；补偿电容器和高压电抗器二者用于结合控制器对发电机缺失电容进行补偿，对高频电压进行抵抗，避免高压导致的二次谐振影响；变频控制箱则用于调节发电机启动时产生的不稳定谐振。

图1 实验平台

实验设备所需详细参数，如表1所示。

表1 实验设备详细参数示意

为了更加精准、有效地判断出发电机直接谐振的控制效果，对不同电力情景而产生的谐振问题进行分析控制。将对由于负载条件下出现电压不稳而导致的谐振问题进行详细控制，其中，负载条件分为感性负载、容性负载以及阻性负载，分别在发电机的两端安排信号显示器，通过通道给出的谐振信号，判断静态启动变频直接谐振控制性能。

4.2 不同负载下发电机电压导致谐振控制性能分析

感性负载是指以电感圈为主的负载，在该条件下运作的设备，在消耗有功功率同时还会消耗无功功率，当感性负载量逐渐增大时，会产生反电动势电压引起逆变器的瞬时超载，谐振增大，最终导致逆变器的使用寿命下降；容性负载是指包含电容参数的负载，在该条件下运作的设备一般负载电流均较大，由于初始的输入电源功率不够，当容性负载过大时，发电机启动瞬间需要的电流承载，进而导致谐振增大。阻性负载则是指以电阻类元件为主体而产生的负载，在该条件下运行的设备工作频率能耗过高。当阻性负载过大时，设备启动容易出现电路阻断，导致直接谐振增大。发电机分为a、b、c三相电路，在三种负载条件下对三相电路的电流电压进行谐振控制，控制的结果如图2～图4所示。

图2 感性负载下直接谐振控制结果

图3 容性负载下直接谐振控制结果

从图2～图4中可以看出，本文对三种负载环境下的发电机谐振进行控制，得到的电压、电流三相电路控制曲线均呈现较为平稳的结果，电流和电压的实时变化整体较为稳定，说明整体控制效果较好，但阻性负载的电流电压变化要相对大一些，这是因为在阻性负载环境下，发电机启动时电路中会出现过量负载，要想继续运行，电流和电压需要不断增加，负载变化，直接谐振增大，运行不稳定。

图4 阻性负载下直接谐振控制结果

5、结束语

本文针对抽水蓄电站发电机启动时容易出现谐振影响的问题，提出静态启动变频直接谐振控制方法改善谐振影响，通过详细分析得到以下几点结论：本文设计了静态启动模型，当发电机出现静态向动态情景转换时，电路产生正序和负序谐振影响。帮助确定影响谐振产生的转子和定子发生点，根据转子和定子的参数变化引出其对谐振的影响值，消除导致谐振产生的直接要素；本文通过计算电路启动时产生的负载电压和电流，分析可控目标，给出不同目标的不同调节参数，整体适用性较强，对不同情况引起的谐振均能实现有效控制，实用价值较高；本文在多种负载障碍情况下，均能实现有效控制，发电机启动时电压和电流变化平稳，确保了发电机的安全高效运行。

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